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超级奥氏体不锈钢S32654高温氧化机制及均匀化工艺研究

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摘要

1.1课题的研究背景

1.2课题研究的目的及意义

1.3课题的主要研究内容

第2章文献综述

2.1超级奥氏体不锈钢概述

2.1.1超级奥氏体不锈钢简介

2.1.2超级奥氏体不锈钢的发展趋势

2.1.3超级奥氏体不锈钢的性能特点及应用领域

2.2高温氧化理论及研究进展

2.2.1高温氧化概述

2.2.2纯金属的高温氧化

2.2.3合金的高温氧化

2.2.4奥氏体不锈钢高温氧化研究进展

2.3枝晶偏析及其影响

2.3.1枝晶偏析的成因

2.3.2枝晶偏析的影响

2.4高温均匀化研究进展

2.5文献评述

第3章超级奥氏体不锈钢S32654的制备

3.1实验材料的制备

3.2实验用钢的成分及夹杂物分析

3.3实验用钢的轧制

3.4本章小结

第4章超级奥氏S不锈钢S32654高温氧化机制研究

4.1氧化宏观形貌分析

4.1.1实验研究方案

4.1.2实验结果及讨论

4.2氧化热力学及动力学分析

4.2.1实验研究方案

4.2.2实验结果及讨论

4.3氧化层微观形貌及物相分析

4.3.1实验研究方案

4.3.2实验结果及讨论

4.4高温氧化机制分析

4.5防高温氧化措施

4.6本章小结

第5章超级奥氏体不锈钢S32654均匀化工艺研究

5.1元素偏析理论计算

5.1.1实验研究方案

5.1.2实验结果与分析

5.2铸态组织特征分析

5.2.1实验研究方案

5.2.2实验结果与分析

5.3均匀化工艺研究

5.3.1实验研究方案

5.3.2实验结果与讨论

5.4本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

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摘要

高合金超级奥氏体不锈钢是高品质特种不锈钢发展的重要方向之一。高的铬、钼和氮含量使其在极端服役环境中具有非常优异的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能,并具有优异的综合力学性能,已逐渐成为钛合金和镍基合金的代用材料。然而,高的合金含量极易造成钢在凝固过程产生严重的枝晶偏析,影响组织均匀性,降低钢的热加工性能。工业上常采用均匀化处理的方法消除枝晶偏析,改善其热塑性,但在实践过程中又发现超级奥氏体不锈钢高温氧化问题非常严重,制约其生产与应用。因此,研究超级奥氏体不锈钢的高温氧化行为及均匀化工艺,阐明其氧化机制,确定合理的均匀化工艺,可为钢的热成型及应用提供理论指导。 本研究利用25kg加压感应炉制备了超级奥氏体不锈钢S32654。利用Thermo-Calc热力学软件、激光共聚焦显微镜(CLSM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)研究了钢的高温氧化机制和均匀化工艺。通过对高温氧化动力学曲线、试样高温氧化后宏观形貌、氧化层的微观形貌和成分及析出相类型的研究,揭示了超级奥氏体不锈钢S32654高温氧化规律,阐明了氧化机制。通过对均匀化处理前后的枝晶形貌、偏析系数、残余偏析指数和析出相的分析,确定了最佳的均匀化工艺。 高温氧化实验结果表明,900℃时氧化很轻微,呈抛物线规律;氧化层由外层的MnMoO4和内层的Fe-Cr-Ni尖晶石组成,未发生明显剥落。两个氧化物层阻止金属离子外扩散和氧离子内扩散,从而降低氧化速率。1000℃和1200℃时氧化异常严重,呈线性规律;氧化层疏松、多孔,由Fe-Cr-Ni尖晶石、MoO2、Mn2O3和NiMoO4组成。造成氧化严重的原因:MoO3的生成和挥发破坏氧化层的完整性;空气渗氮使基体中生成条状Cr2N,降低Cr2O3保护层的形成能力。两者的协同作用导致钢发生灾难性氧化。 Thermo-Calc计算结果表明,在钢凝固过程中,随着液相体积分数减少,各元素均偏离其在纯液相中的平衡成分,且Mo元素偏析最严重。铸态组织分析结果表明,铸锭边缘、R/2和心部均形成较发达的枝晶组织,边缘处的最细小。从铸锭边缘到心部,二次枝晶间距逐渐增大,析出相数量增多,尺寸增大。析出相主要分布于枝晶间和晶界处,类型为laves相和sigma相。枝晶成分分析结果表明,Mo元素偏析系数远大于其他元素。均匀化实验结果表明,当1200℃均匀化16h,铸锭心部枝晶组织明显,偏析系数小于1.2,残余偏析指数小于0.2,析出相全部回溶,表明枝晶组织还未完全消融,而枝晶成分已达到均匀化。当1250℃均匀化8h或1280℃均匀化4h时,铸锭枝晶组织和成分都达到均匀化,且析出相全部回溶。因此最佳均匀化工艺为1250℃×8h或1280℃×4h。

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